浙江大学綦殿禹AEM综述：迈向亚10纳米通道二维场效应晶体管的纳米制造技术

Wiley

2026-02-10

随着人工智能和计算需求的快速增长，芯片设计和制造领域正面临前所未有的挑战。为了实现更高的计算密度和更低的功耗，晶体管的尺寸不断缩小。然而，当晶体管的通道长度接近10纳米以下时，传统硅基技术遭遇了严重的短沟道效应，导致栅控能力下降，器件性能急剧退化。这一问题在亚10纳米节点尤为突出，使得进一步缩小硅基器件的尺寸变得异常困难。

为了解决这一问题，二维材料（如过渡金属二硫化物、石墨烯等）由于其原子级的薄度和无悬挂键的表面特性，提供了新的解决方案。二维场效应晶体管能够有效抑制短沟道效应，并在亚10纳米尺度下展现出优越的性能。因此，二维材料成为了继硅之后，在超小尺寸晶体管制造中的一个重要研究方向。然而，尽管二维场效应晶体管在理论和实验中展现了巨大的潜力，如何在工业化生产中实现亚10纳米通道长度的稳定制造仍然面临诸多挑战。现有的纳米光刻技术、纳米间隙形成方法以及自对准隔离等技术尚无法满足大规模生产的需求。

浙江大学綦殿禹团队系统综述了二维场效应晶体管在亚10纳米通道的未来制造方向。聚焦于开发低成本、高效、适合大规模生产的技术，文章着重介绍了边缘光刻、机械开裂、后期修整和自对准隔离等具有广泛应用前景、可能实现大规模以及低成本生产的纳米制造技术。

图1. 亚10纳米沟道二维场效应晶体管制造技术

作者们综述了二维场效应晶体管在亚10纳米尺度下的制造进展，重点探讨了实现亚10纳米通道长度的关键技术与面临的挑战。文章首先分析了二维材料在纳米尺度上的独特优势，如其原子级的薄度、无悬挂键的表面特性以及优异的载流子迁移率。这些特点使得二维场效应晶体管能够有效应对传统硅基晶体管在小尺寸下出现的短沟道效应问题，从而显著提升了器件的性能和稳定性。接着，文章深入探讨了几种当前广泛研究并具备较大发展潜力的制造方法。首先是超精密纳米光刻技术，其中包括电子束光刻（EBL）和基于嵌段共聚物的定向自组装（DSA）技术，这些方法能够在亚10纳米尺度上实现高精度的图案转移，并为更小尺寸的器件制造提供可能。其次，纳米间隙形成技术也被重点讨论，诸如电迁移和应力引起的裂纹等技术，通过精确控制材料的结构和应力，可以实现亚10纳米级的间隙形成，为通道的缩小提供了有效手段。此外，垂直通道结构和自对准隔离技术作为新兴的解决方案，也被提出作为实现超小尺寸通道的一种有效途径。垂直通道结构通过控制材料堆叠厚度来精确控制通道长度，而自对准隔离技术则通过超薄氧化膜或刻蚀间隙来精确隔离源极和漏极，实现更精细和更低成本的通道定义。这些技术为制造亚10纳米通道提供了创新性思路，推动了二维场效应晶体管向更小尺度、更高性能的方向发展。

尽管这些技术在理论和实验中展现了良好的性能，作者们也指出，当前的纳米光刻技术和其他制造方法仍面临诸多挑战，如高成本、低产率和难以实现大规模生产等问题。在这之后，作者们总结了这些技术的优缺点，并展望了实现亚10纳米通道二维场效应晶体管的未来制造技术，提出了四种具有广泛应用前景的关键工艺：边缘光刻、机械开裂、后期修整和自对准隔离。边缘光刻（Edge Lithography）是一种通过在已预制的材料边缘积累材料形成窄边结构的技术。这种技术能够有效地在传统光刻基础上进行二次图案化，提供高分辨率的纳米间隙，且成本较低，适合大规模生产。通过沉积或二次溅射的方式控制边缘尺寸，边缘光刻可进一步用于纳米间隙的精密控制，是实现亚10纳米制造的有力工具。机械开裂（Mechanical Cracking）技术通过在特定部位引发可控的纳米级裂纹来制造精确的纳米间隙。借助材料内应力的释放、溶液催化或其他应力释放方法，机械开裂能够实现低成本、稳定的纳米间隙形成。这一方法对于大规模生产具有优势，能够在不同材料中精确控制裂纹的形成，从而为二维材料的通道制造提供有效的支持。后期修整（Post-Trimming）方法是一种基于传统图案化技术的改进方案。在初步制造出较大尺寸的图案后，通过原子层沉积、电镀等手段逐步缩小和修整这些图案，从而达到所需的纳米尺度。这种技术能够灵活调整和精细化制造过程，适应各种不同的材料和结构，具有较高的可扩展性和成本效益。自对准隔离（Self-Aligned Isolation）技术利用薄膜或蚀刻间隙精确隔离源极和漏极，并通过隔离层的厚度来定义通道长度。该方法不仅能够实现亚10纳米尺度的通道制造，还能保证较低的漏电流和良好的器件性能。自对准隔离技术的兼容性和可控性使其成为适合大规模制造的关键工艺之一。这四种技术各有特点，在实现亚10纳米尺度二维场效应晶体管的制造中具有重要作用。随着这些技术的进一步优化和成熟，未来的二维半导体技术有望突破现有的生产瓶颈，实现低成本、高效能的产业化应用。

在文章的最后部分，作者通过比较不同制造方法的性能指标，为未来二维材料在亚10纳米节点下的应用和产业化提供了宝贵的参考和指导。具体来说，文章总结了几种关键技术的优缺点，并对它们在实际生产中的可行性进行了深入分析。通过综合评估如分辨率能力、工艺可控性、制造产率、成本效率和工艺吞吐量等因素，文章明确了每种方法在不同应用场景中的适用性。例如，电子束光刻（EBL）和极紫外光刻（EUV）虽然在分辨率上具有优势，但它们的高成本和低生产效率使得它们难以在大规模生产中广泛应用。而像基于块共聚物的定向自组装（DSA）技术，则凭借其较低的成本和较高的吞吐量，在某些应用中展现了较好的前景。文章还强调了纳米间隙形成技术和垂直通道结构等新兴技术，尽管它们在精度和控制上存在挑战，但其在亚10纳米通道的制造中仍具有巨大的潜力。文章也指出自对准隔离技术和后期修整技术在分辨率、工艺可控性以及成本方面都有较不错的表现，有着极大的发展潜力和前景。通过这些综合比较，文章为未来二维场效应晶体管在亚10纳米节点下的技术进展提供了明确的方向，也为产业化提供了重要的战略指导。这些研究成果不仅有助于推动相关技术的进一步优化，还能为未来半导体器件的小型化、低功耗以及大规模生产提供理论支持和实践经验。

图2. 亚10纳米制造技术关键性能指标

期刊简介

期刊Advanced Electronic Materials重点发表物理：应用、材料科学：综合、纳米科技相关方向的文章。

该期刊是一个跨学科论坛，在材料科学，物理学，电子和磁性材料工程领域进行同行评审，高质量，高影响力的研究。除了基础研究外，它还包括电子和磁性材料、自旋电子学、电子学、器件物理学和工程学、微纳机电系统和有机电子学的物理和物理性质的研究。期刊最新引文指标为0.9，最新影响因子为5.3（2023）。